Исследователи обобщили данные о водородных топливных элементах

Ученые из ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН в Черноголовке изучили взаимосвязь процессов, материалов и конструктивных решений на эффективность работы водородно-воздушных топливных элементов с твердополимерной мембраной. Новый обзор, который охватывает более 400 работ, заполняет нишу между слишком общими работами и специализирующимися на конкретной проблеме. Работа, которая может стать «точкой входа» для ученых, собирающихся заниматься этой тематикой, удостоилась обложки в самом авторитетном российском научном журнале вообще — «Успехи химии» (IF = 7,6).

Водородные топливные элементы — химические источники тока, напрямую преобразующие химическую энергию реакции окисления водорода в электрический ток без горения,— были изобретены еще в 1839 году, однако только в XXI веке современные материалы и технологии позволили им получить массовое применение. В настоящее время активные разработки в области топливных элементов уже позволяют им конкурировать с двигателями внутреннего сгорания и литий-ионными аккумуляторами в ряде областей техники, но для того, чтобы расширить их сферу применения, нужно существенно улучшить их характеристики.

«Наш обзор заполняет нишу в тематике топливных элементов между существующими обзорами слишком общего характера и специализированными на конкретной проблеме. В нем мы последовательно рассматриваем все основные компоненты топливных элементов: протоннообменные мембраны, каталитические и газодиффузионные слои, биполярные пластины, системы охлаждения, а также факторы, которые влияют на мощность топливных элементов. Опыт, накопленный в нашем центре,— как в фундаментальных разработках, так и в практической плоскости — создании топливных элементов с воздушным охлаждением малой мощности и применении их в беспилотных летательных аппаратах и системах накопления энергии, позволил нам рассмотреть огромный объем литературы в 428 наименований именно с практической точки зрения и сформировать общее представление как об актуальном уровне разработок в этой области, так и о перспективах их применения и дальнейшего развития»,— говорит один из авторов работы, руководитель центра компетенций «Новые и мобильные источники энергии» ФИЦ ПХФ и МХ РАН, заведующий лабораторией твердотельных электрохимических систем ФИЦ ПХФ и МХ РАН Алексей Левченко.

Авторы обращают внимание, что на эффективность работы топливного элемента влияют четыре параметра: проводимость компонентов (протоннообменной мембраны, каталитических слоев), скорость электрохимических реакций на электродах, эффективность разделения газовых пространств анода и катода и эффективность подвода компонентов и отвода продуктов реакции, при этом каждый из этих параметров определяется свойствами нескольких компонентов топливного элемента — и, наоборот, свойства одного материала могут влиять на несколько характеристик. Так, например, чем тоньше мембрана, тем меньше потери за счет сопротивления в топливном элементе, но при этом увеличиваются другие потери — и, соответственно, для каждого конструктива топливного элемента существует оптимальная толщина этого ключевого компонента.

При этом в современном мире топливных элементов существуют два основных тренда. Часть групп работает на краткосрочную перспективу и занимается оптимизацией существующих разработок топливных элементов — увеличением стабильности катализаторов и стойкости их к отравлению, улучшением характеристик протоннообменных мембран и каталитических слоев, оптимизацией геометрии топливного элемента и тому подобное. Часть же работает на долгосрочную перспективу и ищет принципиально новые решения — бесплатиновые катализаторы (в том числе биокаталитические), новые типы ион-проводящих материалов с акцентом на анион-проводящие, которые позволяют использовать эти бесплатиновые катализаторы как на катоде, так и на аноде и так далее.

«Наша область — бурно развивающаяся и требующая новых идей, новых людей и новых коллабораций, поэтому такие обзоры, одновременно показывающие научно-технологические принципы работы топливных элементов и ситуацию на переднем крае науки, крайне важны»,— резюмирует цель этой работы Алексей Левченко.

Алексей Паевский, заместитель руководителя центра компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии» ФИЦ ПХФ и МХ РАН, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Как работают водородные топливные элементы?

— Водородные топливные элементы — старое изобретение, их придумали еще в 1839 году, до создания аккумуляторов. Однако их практическое применение началось в 1960-е годы: уже на новом технологическом уровне их начали использовать для обеспечения электроэнергией космических аппаратов, вначале для лунных программ в США и в СССР.

Несмотря на слово «топливный», в ВТЭ нет горения, хотя суммарная химическая реакция та же: H2 + O2 = H2O. Однако эта реакция в топливном элементе «разнесена» на две половинки, на два электрода: на одном электроде окисляется водород, на другом — восстанавливается кислород, а ионы водорода переходят к кислороду сквозь протонпроводящую мембрану. В результате в цепи возникает электрический ток. Поэтому в типичном единичном водородном топливном элементе всегда есть анод, катод, биполярная пластина, разделяющая их и протонпроводящая мембрана. То, что мы видим на фотографиях,— это не один топливный элемент, а их батарея.

— Какие бывают водородные топливные элементы?

— Два основных типа элементов — это ТЭ с протоннообменной мембраной (ПОМТЭ), которые работают при низких температурах (–60–80 градусов), и твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), которые имеют другую конструкцию и работают при высоких температурах — в сотни градусов. Сейчас максимальное распространение имеют первые ТЭ, которые тоже бывают двух типов: с воздушным охлаждением (батареи малой мощности, до 5 кВт) и с водяным охлаждением (десятки киловатт).

— Где используются такие топливные элементы?

— Два основных направления использования ТЭ — транспорт (автотранспорт, корабли, легкие самолеты, беспилотники и т. п.) и системы накопления энергии.

Нужно понимать, что водородные автобусы и автомобили — это электромобили, в которых вместо основного литий-ионного аккумулятора стоят топливный элемент и бак со сжатым водородом (или другой источник водорода — например, водородный аккумулятор на металл-гидридах).

В нашем центре созданы водородные коптеры и водородная беспилотная автомобильная платформа, а также системы накопления энергии и первая в стране водородная заправка.

— В чем преимущество водородного топлива?

— Как я уже сказал, говорить про «топливо» не совсем корректно: водород в нем не горит. Главное преимущество — это удельная энергоемкость. Она у водородных энергоустановок в два-три раза выше, чем у систем с литий-ионными аккумуляторами. В результате вы получаете автомобиль или беспилотник с пробегом (или временем полета), как у аппарата с двигателем внутреннего сгорания, но при этом со всеми преимуществами электромобиля: экологичность, низкий шум, низкая тепловая сигнатура. При этом время заправки водородного транспорта сопоставимо с бензиновым, в то время как электромобиль заряжается — даже на быстрой зарядке — во много раз (в восемь—десять раз) дольше.

При этом, как ни странно, пожарная безопасность водородного транспорта ниже, чем и у бензинового, и у электрического.

— Каковы минусы использования водорода в качестве топлива?

— Главный минус — дорогая заправочная инфраструктура. И начальное распространение водородного транспорта требует очень больших вложений именно в заправочную инфраструктуру. Водородная заправка гораздо дороже зарядной станции.

— Насколько безопасны водородные топливные элементы?

— Сами элементы безопасны. Водород же, конечно, как и любой горючий газ, представляет опасность. Но при правильной эксплуатации водород оказывается безопаснее метана или пропана (особенно последнего, поскольку в отличие от пропана водород значительно легче воздуха и очень быстро улетучивается с места утечки).

Подготовлено при поддержке Минобрнауки